CN204344341U - 一种液体喷射计量单元 - Google Patents

Abstract

一种液体喷射计量单元，包括一个喷射单元和一个计量控制器，所述喷射单元包括螺线管装置，柱塞泵和喷嘴。所述螺线管装置包括线圈、磁轭和磁阻，所述柱塞泵包括柱塞和套筒，柱塞与套筒配合形成压送容积，压送容积连接进液阀和出液阀。本新型提供的液体喷射计量单元，可以应用但不限于以下三个方面，即，发动机管理系统之燃油喷射计量装置，发动机后处理SCR系统之尿素水溶液喷射计量装置，发动机后处理DPF系统之主动再生燃料喷射计量装置。其他的应用还有，发动机燃料添加剂定量喷射混合装置，发动机低温启动辅助燃烧喷射装置等。

Description

一种液体喷射计量单元

技术领域

本发明属于液体计量技术领域，尤其是与发动机有关的液体喷射计量技术，具体涉及发动机燃油喷射装置，发动机尾气净化NOx选择性催化还原(SCR)系统，以及柴油发动机排气颗粒物过滤收集器(DPF)的燃油喷射再生系统及其控制技术。

背景技术

液体喷射计量在化工、医疗和动力机械等领域有广泛的应用，尤其涉及内燃动力的多项核心技术。

随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为发动机行业最为重要的主题，世界许多国家都不断推出一系列的发动机及车辆排放标准，对此，以内燃机为动力的车辆需要更好的燃烧控制，并且安装排放后处理系统以求满足越来越严格的排放要求。例如，包括火花点火式小型发动机在内的发动机也像汽车发动机一样采用电控燃油喷射技术和排气三元催化处理技术；柴油发动机或者稀薄燃烧的缸内直喷汽油机，为降低尾气中的有害污染物，针对NOx污染物，采用能够在富氧环境下进行催化还原处理的NOx选择催化还原(SCR＝Selective Catalytic Reduction)技术；针对柴油机的颗粒物排放，采用柴油机颗粒物过滤捕集器(DPF＝Diesel Particulate Filter)技术等。

所有这些技术，都涉及液体的喷射计量控制问题，对汽油喷射技术，需要喷射计量并反馈控制汽油喷射量；对DPF再生技术，需要喷射计量在DPF上游排气管雾化喷入的柴油量；而对SCR技术，需要在SCR催化器上游计量喷射NOx选择性还原剂，例如32.5％重量浓度的尿素水溶液(也叫柴油排气处理液DEF＝Diesel Exhaust Fluid，或者添蓝液AdBlue)。

DEF进入发动机排气管后，通过排气高温分解成氨气，与排气混合后进入SCR催化转换器。在催化剂的作用下，氨气就会与发动机排气中的NOx等发生催化还原反应，使NOx分解为无害的N2、H2O。如果DEF喷射量与排气中的NOx含量不相匹配，那么要么NOx不能够被充分还原分解，排放量增加，要么剩余不少氨气排到大气中，造成二次污染。因此SCR系统必然需要精度较高的SCR计量喷射装置。

对于SCR喷射计量系统，由于尿素水溶液具有导电性，传统的以直流旋转电泵为动力源的喷射计量系统不能潜入在工作液体中工作，因此多数现有技术采用以直流电机驱动的外置膜片泵为动力源，这种系统的结构复杂，除了可靠性外，还受环境的影响较大，尤其在低温环境下工作需要复杂的融冰辅助装置，售后服务维护也比较困难。

在发动机领域，与液体喷射计量相关的具体技术包括但不限于：发动机电子燃油喷射系统，包括缸内直喷(GDI)和缸外喷射(MPI)，发动机尾气净化氧化氮选择性催化还原(SCR)尿素水溶液喷射系统，柴油机尾气排放颗粒物过滤(DPF)再生燃油喷射系统。

采用柱塞-套筒结构，美国专利US20090301067A1公开了一种 DEF喷射计量装置，其中计量喷射装置是一个螺线管驱动的柱塞泵喷嘴，安装在排气管上，需要外加一个低压泵为其从DEF储液罐提供工作液体，并且需要采取冷却措施才能正常工作。

DPF再生燃油的喷射，为了提高燃烧效率以最少的燃油消耗获得最高的DPF温度达到烧掉收集的碳烟等颗粒物的目的，喷射的柴油必须雾化良好。然而，现有技术多数采用低压的喷射技术。例如，美国专利(公开号：US2007/0033927)公开的技术方案借用了汽油进气口喷射系统的基本原理和结构计量燃油，喷射压力相对比较低。

总体来说，与发动机相关的喷射计量技术可分为三种不同的类型：嘴端控制，泵端控制和嘴-泵端混合控制。其中，嘴端控制已经被广泛应用于燃油进气口喷射系统，嘴-泵混合控制已经被广泛应用于燃油缸内直喷系统，泵端控制被应用于缸内燃油直喷、单缸汽油机燃油喷射和SCR系统等。

现有技术很难将以上应用统一到一种类型的执行器和计量方法上。其中一个根本性的原因在于：普遍应用的旋转式低压汽油泵不能处理导电介质，如尿素水溶液等。而另外一种螺线管柱塞泵虽然可以处理导电、非导电液体，却存在精确计量困难的问题。

螺线管柱塞泵可以细分为两种不同的结构，一种是柱塞运动的柱塞-套筒泵，另一种是套筒运动的套筒-柱塞泵。关于用于压送燃油的柱塞-套筒泵，美国专利20030155444A1公开了一种计量控制方法，即，通过预测柱塞的位置来预测燃油喷射量的方法。然而，由于燃油，尤其是汽油的挥发性很强，进入柱塞套中的流体通常会包含一定的蒸 汽或者空气，燃油的喷射量与柱塞的位置并非存在一一对应的关系。另外，预测柱塞的位移如同预测燃油喷射量一样有难度，在实施上会存在一定的困难。

因此关于螺线管柱塞泵，无论是柱塞-套筒泵或是套筒-柱塞泵，提出能够同时满足多个目标的简洁结构和应用方式，以及统一的计量方法是非常有价值的一项工作。

发明内容

本发明针对上述问题，之目的在于是提供能够实现泵端控制的、通用性强和结构简洁的执行器方案以及统一的控制计量方法。这些技术方案可以广泛应用于柴油或汽油发动机尾气净化SCR和DPF系统中的液体喷射系统的设计，火花点火发动机燃油喷射系统的设计，其中包括进气口和缸内直喷两种系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，即，一种液体喷射计量单元，其特征在于，包括一个喷射单元和一个计量控制器，所述喷射单元包括一个螺线管装置，一个柱塞泵和一个喷嘴，所述螺线管装置包括线圈、磁轭、磁阻和电枢，其中磁轭与电枢由导磁材料构成，磁阻由非导磁材料构成，所述柱塞泵包括柱塞和套筒，柱塞与套筒配合形成压送容积，压送容积连接进液阀和出液阀，液体从进液阀进入压送容积从出液阀输出，所述计量控制器为螺线管装置提供驱动信号，计量控制器包括一个可监测螺线管装置状态参数的监测装置，包 括利用状态参数预测螺线管装置有效输出功的算法，包括以螺线管装置有效输出功为变量对液体喷射计量单元的流量进行闭环控制的方法。所述螺线管装置有效输出功是指直接对压送容积中的液体加压并形成喷射所需要的能量。

对于螺线管装置的控制，最常见的方法是采取PWM简单驱动的方式，这种方式不对螺线管的执行结果进行反馈修正，会产生目标与结果的不一致，往往不能完全覆盖因为液体状态的改变(例如出现两相流等)、驱动电压的改变和螺线管阻值的改变等因素对执行结果的影响。

对于上述液体喷射计量单元，一种可选择的方案是套筒-柱塞泵结构，即，包括一个回位弹簧，套筒在螺线管装置和回位弹簧的驱动下往复运动，导致压送容积大小的交替变化。

对于上述液体喷射计量单元，另一种可选择的方案是柱塞-套筒泵结构，即，包括一个回位弹簧，柱塞在螺线管装置和回位弹簧的驱动下往复运动，导致压送容积大小的交替变化。

对于柱塞-套筒泵结构，进一步细化的方案是：柱塞包括一个电枢，电枢大致为一个圆柱体，电枢包括贯通两端面的通孔。所述通孔可以具有一定的锥度，带锥度的孔向液体压送方向扩展，用于实现液体在内部空间的定向流动，以冷却液体喷射计量单元和提高其工作的稳定性。

上述方案中的回位弹簧可以被另外一个螺线管装置所取代以提供套筒或者柱塞回位所需要的力。

在上述方案中，在出液道与喷嘴之间可以包括一个高压管，所述高压管由金属或者高分子材料制成，可以是定型的刚性管，也可以是可弯曲的柔性管。另外，来自储液箱的液体需要经过一个过滤器才能进入液体喷射计量单元的内部空间。

一种可选择的方案是：包括一个气液混合腔，液体由喷嘴首先喷入气液混合腔中，液体与气体混合后再经一个喷射器喷入发动机的排气管内。所述喷射器可以为一个简单的节流孔式喷嘴，也可以为一个不含喷嘴阀的旋流喷嘴。此方案对于不同的应用，可以实现以下不同目标：一是有利于液体雾化和增加排气管氧气的含量，二是可以避免液体结冰对输送管路的堵塞和损坏，三是可以避免溶剂如水分蒸发后喷射液如尿素水溶液的结晶体析出对管路的堵塞，四是可以避免液体中的结焦成分对喷嘴的堵塞。

对于上述方案，在发动机不需要喷射液体时，高压气体继续供气以扫除从汽液混合腔到喷射器之间的残留液体。

另外一种应用于发动机排气后处理系统的喷射方案是：液体通过高压管由喷嘴直接喷入发动机排气管中。如果所喷射的液体为DEF，除了为降低NOx排放需要喷射的DEF外，另外还可以喷射少量的DEF以防止喷嘴过热或者堵塞。为了防止高压管结冰，需要沿高压管布置融冰装置，例如用电加热或者发动机冷却水加热的方式进行融冰。

用能量平衡的方法预测螺线管装置有效输出功，需要估算计量控制器输出的总能量，估算螺线管电阻功耗，估算螺线管装置电感储能。这样，螺线管的有效输出功＝计量控制器输出的总能量-螺线管电阻功 耗-螺线管装置电感储能-流动阻力功耗-回位弹簧储能。

所述螺线管装置的状态参数可选择为：通过线圈的电流和线圈两端的电压。

具体地，用所监测到的线圈的电流与电压之乘积对时间积分来逼近计量控制器输出总能量，用所监测到的线圈的电流的平方与螺线管电阻之乘积对时间积分逼近线圈电阻功耗，用所监测的螺线管电流计算螺线管装置电感储能。关于液体的流动阻力功耗与回位弹簧的储能，可以简单地处理为：在喷射开始后与喷射量成线性关系。上述的能量平衡关系，可以用以下数学方式表达:

设，

Q-液体的喷射量；

Wn为螺线管装置的有效输出功；

Et对螺线管装置输入的总能量，Et0为截至喷射开始对应的Et；

Er为线圈电阻能耗，Er0为截至喷射开始对应的Er；

Ein为当前螺线管装置的电感储能，Ein0为喷射开始时对应的Ein；

Wr为流体阻力功耗，Wr0为截至喷射开始对应的Wr；

Es为回位弹簧的储能，Es0为开始喷射时回位弹簧的储能，Esi为线圈加电时回位弹簧的预储能。

那么，

Wn＝η·Q，η为有效输出功与喷射量之间的比例系数，

Wn＝Et-Er-Ein-Wr-(Es-Esi)，

Et0＝Er0+Ein0+Wr0+(Es0-Esi)，

或者，Wn＝(Et-Et0)-(Er-Er0)-(Ein-Ein0)-(Wr-Wr0)-(Es-Es0)，

各项具体的表达式为：

Et＝int(Id·Vd),

Er＝int(Id²·r),r为线圈的电阻，

Ein＝L·Id²/2,L为螺线管装置的电感，

Es＝K·X²/2,K为回位弹簧的弹性系数，X为弹簧的压缩量，

(Wr-Wr0)＝ζ·Q，ζ为一个比例系数，

以上，int代表线圈通电后对时间的积分；

因此，

Q＝[(Et-Et0)-(Er-Er0)-(Ein-Ein0)-(Es-Es0)]/α，α＝η+ζ。

上述公式之右边各项所包含的变量均为可实时监测的螺线管装置的状态参数：Id，Vd，常数：r，K，L，以及待定系数α。其中，α可以通过流量的实际测量进行标定，如果上述物理关系比较完备，α应该是一个常数；L可以通过理论计算或者视为待定系数，通过多点流量的实际测量进行标定。

根据实践，将回位弹簧的储能(Es-Es0)处理为与Q成比例也是合理的，这样关于喷射量的公式就不显含回位弹簧储能这一项了。

进一步，可以将Er-Er0和Ein-Ein0分别或者同时简单地处理为与喷射量Q成正比，这样喷射量的表达可以大为简化，即，

Q＝(Et-Et0)/μ，μ为一个待定系数，可通过流量测量标定。这种简化模型相当于用电流与电压之乘积对时间积分来拟合喷射流量。

以上，关于液体的流体阻力功耗，也可以采用进一步的细化的模 型进行逼近，例如，阻力与相对流速的平方成正比，所涉及的待定系数可以通过液体喷射计量单元的多点流量测试进行标定。

美国专利US7273038B2公开了一种更为简化的方法，直接采用电流对时间的积分拟合喷射流量，这里没有考虑电源电压变化的因素，尤其是电压的瞬态波动对于螺线管装置有效输出功的影响。

另外一种选择是：将线圈断电后电动势下降到参考电压所需要的时间T3，定义为螺线管装置状态参数，螺线管装置有效输出功与T3有良好的对应关系，一种简化的对应关系是将T3与螺线管有效输出功处理为线性关系。

如果将单位时间内喷射出的液体流量为控制目标，一种可选择的控制模式是：保持液体喷射计量单元单脉冲的喷射量不变，即固定每脉冲螺线管装置有效输出功，通过改变液体喷射计量单元工作频率来实现目标。另一种控制模式是：保持液体喷射计量单元工作频率不变，通过改变螺线管装置有效输出功的方式实现目标。也可以采用两者结合的方式，即通过改变液体喷射计量单元的工作频率和螺线管装置有效输出功的方式实现所述目标。

包括一种测量储液罐内液体液位的方法：测量液体液位通过测量液体对柱塞泵运动件的流体阻力进行间接测量。液体的阻力可以通过检测上述螺线管状态参数之特征获得。

本发明提供的液体喷射计量单元，可以应用但不限于以下三个方面，即，发动机管理系统之燃油喷射计量装置，发动机后处理SCR系统之尿素水溶液喷射计量装置，发动机后处理DPF系统之主动再生燃 料喷射计量装置。其他的应用还有，发动机燃料添加剂定量喷射混合装置，发动机低温启动辅助燃烧喷射装置等。

本发明之柱塞泵既可以置于储液箱内部，也可以置于储液箱之外部。对于SCR喷射系统，将柱塞泵置于储液箱内部时，可以减少冬季融冰所需装置。将液体喷射计量单元置于储液箱外部时，所述过滤装器可与液体喷射计量单元合为一体，液体可以通过重力或者附加的低压泵从储液箱底部通过供液管路到达过滤器，然后进入液体喷射计量单元，回液口可以通过外接回液管到达储液箱的顶部。

对于上述液体喷射单元的各种方案，一种比较实用的应用方案为：一种计量模块，包括一个由融冰管构成的支架，喷射单元固定在支架的一端，控制器固定在支架的另一端。这种方案特别适合于构成SCR尿素水溶液的喷射系统，可以将所述计量模块垂直或者水平放置于储液箱中，其中固定控制器的一端固定在储液箱上，控制器外露于储液箱，固定喷射单元的一端位于储液箱内的底部。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明提供的含套筒-柱塞泵的液体喷射计量单元的逻辑结构图。

图2为本发明提供的含柱塞-套筒泵的液体喷射计量单元的逻辑结构图。

图3a为本发明提供的含套筒-柱塞泵的液体喷射计量单元之实施 例。

图3b为本发明提供的含柱塞-套筒泵的液体喷射计量单元之实施例。

图4本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数测量原理图。

图5a本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数电压测量电路。

图5b本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数电流测量电路。

图6为本发明提供的液体喷射计量单元之流量主动闭环控制逻辑图。

图7a本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数T3的物理定义图。

图7b本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数T3的测量电路图。

图8为本发明提供的液体喷射计量单元之流量被动闭环控制逻辑图。

图9a为基于第一能量模型对流量的预测的一组实测数据。

图9b为基于第二能量模型对流量的预测的一组实测数据。

图9c为基于第三能量模型对流量的预测的一组实测数据。

图9d为基于第四能量模型对流量的预测的一组实测数据。

图10为本发明提供的液体喷射计量单元应用于发动机电喷系统 之示例。

图11为本发明提供的液体喷射计量单元应用于SCR系统之示例。

图12为本发明提供的液体喷射计量单元应用于DPF再生系统之示例。

具体实施例

如图1所示，本发明提供的含套筒-柱塞泵的液体喷射计量单元的逻辑结构图，包括，柱塞泵8，螺线管装置18，控制器13，喷嘴23，回位弹簧10。其中，柱塞泵装置8包括套筒11，柱塞12，进液阀16和出液阀17，套筒11与柱塞12密切配合，形成压送容积9。螺线管装置18包括线圈19，磁轭20，磁隙21和电枢12a。所述电枢12a和套筒11可以合为一体设计，电枢12a将套筒11包围在其中，所述磁轭20与电枢12a由导磁材料构成，电枢12a的前端面位于磁隙21附近，线圈19通电后，电枢12a连同套筒11在螺线管装置18的驱动下，前行运动导致压送容积9缩小，压送容积9中的液体受到挤压后压力升高，导致出液阀17开启，液体到达喷嘴23，在压力作用下，喷嘴23开启，液体喷射出去；线圈19通电结束后，在回位弹簧10的作用下，套筒11开始回位运动，回位过程中，进液阀16开启，新的液体进入压送空间9，准备下一个循环的喷射。

如图2所示，本发明提供的含柱塞-套筒泵的液体喷射计量单元的逻辑结构图，包括，柱塞泵8，螺线管装置18，控制器13，喷嘴23，回位弹簧10。其中，柱塞泵装置8包括套筒11，柱塞12，进液阀16和 出液阀17，柱塞12与套筒11密切配合，形成压送容积9。螺线管装置18包括线圈19，磁轭20，磁隙21和电枢12a。电枢12a与柱塞12同轴串列布置，所述磁轭20与电枢12a由导磁材料构成，电枢12a的前端面位于磁隙21附近，线圈19通电后，电枢12a连同柱塞12在螺线管装置18的驱动下，前行运动导致压送容积9缩小，压送容积9中的液体受到挤压后压力升高，导致出液阀17开启，液体到达喷嘴23，在压力作用下，喷嘴23开启，液体喷射出去；线圈19通电结束后，在回位弹簧10的作用下，柱塞12开始回位运动，回位过程中，进液阀16开启，新的液体进入压送空间9，准备下一个循环的喷射。

在图1和图2所提供的液体喷射计量单元方案中，出液阀17是一个靠压差控制开关的单向阀，进液阀16可以是靠压差控制开关的单向阀，也可以是由套筒-柱塞相对位置控制开关的滑阀，或者是一个靠压差控制开关的单向阀和由套筒-柱塞相对位置控制开关的滑阀的组合。

如图3a所示，本发明提供的含套筒-柱塞泵的液体喷射计量单元之一个具体实施例，包括螺线管装置18，柱塞泵8，回位弹簧10，泵端26，高压管25，喷嘴23，过滤器31，低压容积29以及输出端壳体37。

螺线管装置18包括线圈19，第一内磁轭20a，第二内磁轭20d，外部磁轭20b，外部磁轭端部20c，磁隙21和电枢12a。外部磁轭20b通过凸起20b1的塑性变形与外部磁端部20c锁紧，同时线圈19也被固定在其中，第一内磁轭20a包括一个可通过流体的内部排气道28。外部磁轭20b、外部磁轭端部20c、第一内磁轭20a和第二内磁轭20d均由导磁 材料制成，磁隙21为非导磁材料。电枢12a开有若干个沿周向分布的直槽12e，以减少往复运动的阻力。

柱塞泵8包括套筒11，柱塞12，进液阀16和出液阀17。套筒11与柱塞12密切配合，形成压送容积9。所述套筒11可与电枢12a设计为一体，并采用相同或者不同的材料，套筒11位于电枢12a内侧，包括柱塞孔27，溢流孔16b1，进液道30。柱塞12包括一个端面16b2，一个出液道12d，一个位于出液道12d下游的限流孔12b，一个位于端部的凸起12c。进液阀16为一个由单向阀16a和一个滑阀16b形成的组合阀。所述单向阀16a由阀件16a1、阀簧16a2以及阀座16a3组成，阀座16a3可与套筒11连为一体，为一个位于进液道30处并与之连通的圆锥形座面。所述滑阀16b包含溢流孔16b1以及柱塞12之端面16b2。滑阀16b的开闭由柱塞12的相对位置决定，当柱塞12运动至端面16b2超过溢流孔12b最高点时滑阀16b关闭。若所述单向阀16a的关闭迟于溢流孔16b1被遮挡的时刻，开始压送液体的过程取决于单向阀16a的关闭，反之，开始压送液体的过程取决于溢流孔16b1的遮挡。所述出液阀17为一个单向阀，包括出液阀件17a，出液阀簧17b和出液阀座17c。出液阀座17c固定在柱塞12上，固定可以采用紧配或者焊接等方式。

泵端26包括一个泵端进液口26c，一个支撑杆26a和一个限位件26b，进液道30允许支撑杆26a伸入并接触到单向阀件16a1，限位件26b用于限制电枢12a回位，在电枢12a离开泵端26的一段距离内，支撑杆26a保持与单向阀件16a1接触并阻止其落座，这样一方面可以在电枢 12a回位到初始位置时，单向阀16a保持开启状态，使得液体有更充足的时间进入压送容积9，另一方面，在电枢12a离开泵端26前行运动的一段距离内，压送容积9内的气体可以继续通过单向阀16a排出，从而保证了液体的计量精度。

喷嘴23为一个球阀式喷嘴，包括喷嘴前阀座38，半球阀件40，喷嘴后阀座41，喷嘴阀弹簧42，喷孔39，喷嘴前阀座38包括可以与半球阀件40之球面密封的圆锥形座面，喷嘴后阀座41包括一个可以与半球阀座43之平面可以形成密封的平面，喷嘴前阀座38与喷嘴后阀座41通过焊接连接，连接后在其中留有供半球阀件40开启所需要的运动空间，在球阀式喷嘴23之入口处设有过滤网44。

高压管25包含与柱塞12之端部凸台12c对接的快速接头25a和与喷嘴23之端部凸台23a对接的快速接头25b。泵体1与高压管25通过o圈32密封，喷嘴23与高压管25通过o圈33密封。

过滤器30包括内部骨架34，过滤网布35，过滤器内腔36。

所述液体喷射单元之工作过程如下：

在运动初始位置，由于回位弹簧10的作用与限位件26b靠紧，此时单向阀16a由于支撑杆26a作用处于开启状态，并且溢流孔16b1与压送容积9处于连通状态，所含气体成分容易逃逸压送容积9，压送容积9中充满液体。当电枢12a在电磁力的作用下连同套筒11开始向前运动，压送容积9中的部分流体通过进液道30和溢流孔16b1排出，其中包括部分气体。当电枢12a运动一定距离后，溢流孔16b1被柱塞12的 表面遮挡。电枢12a继续运动，压送容积16不断减小，当单向阀件16a1之球表面落座于锥形阀座16a3时，进液单向阀16a关闭，压送过程开始。压送容积9中的液体压力逐渐升高，当作用于出液阀件17a的压力可以克服出液单向阀弹簧17b之作用力时，出液单向阀17开启，液体进入出液道12d，经限流孔12b进入高压管25，通过过滤网44到达半球阀件40，当半球阀件40之前后压差升高到可以克服喷嘴阀弹簧42的作用力时，半球阀件40离开喷嘴前阀座38之密封锥面并且与喷嘴后阀座41之密封平面贴紧，这时液体通过喷孔39喷出。

当作用在电枢12a上的电磁力消失后，在回位弹簧10的作用下电枢12a开始回位行程，此时因压送容积9的膨胀导致压力下降继而出液单向阀17关闭，单向阀16a打开，液体在压差的作用下迅速进入压送容积9，电枢12a继续运动一定行程后，首先是进液阀件16a1的运动被支撑杆26a阻挡，接下来是溢流孔16b1与压送容积9再次连通，部分液体也可以从溢流孔16b1进入压送容积9，电枢12a的继续回位被限位件26b阻挡而终止，本次循环结束。

在上述过程中，也可以重新设计溢流孔16b1，以至于溢流孔16b1的关闭与进液阀16a的关闭时刻顺序相互颠倒。

在上述工作过程中，液体从过滤器内腔36通过泵端进液道26c进入整个电枢空间12d，并通过进液道14进入压送容积16，因电能的耗散发热，导致部分液体在电枢空间12d中蒸发，所蒸发的蒸汽从内部排气道28进入低压容积29，并通过位于输出端壳体37上的排气泡口 29a排出体外。所述排气泡口29a包含一个安装台阶29b，可用于安装排气泡管，使气体更有效的排出泵体。

图3b所示，本发明提供的含柱塞-套筒泵的液体喷射计量单元又一个具体实施例，与图3a所提供实施例之主要区别在于：本实施例液体喷射计量单元1采用了柱塞12与电枢12a同步运动，而套筒11固定不动的结构。电枢12a大致为一个圆柱体，包括贯通两端面的通孔45。所述通孔45可以具有一定的锥度，带锥度的孔向液体压送方向扩展，以实现液体在内部空间的定向流动，以冷却液体喷射计量单元1和提高其工作的稳定性。

所述电枢12a与柱塞12可以是一个整体，也可以通过连接件12b进行运动传递。套筒11同轴固定在输出端壳体37上，套筒11上设有侧向的溢流孔16b1和轴向的直塞孔27连通。柱塞12精密滑动配合装在套筒11内，其上部通过连接件12b与电枢12a始终接触。溢流孔16b1与柱塞端面16b2形成进液阀16。出液阀17由出液阀件17a、出液阀簧17b和出液阀座17c组成，出液阀座17c为一个与出液阀件17a配合的锥面，位于套筒11末端11a处。回位弹簧10设置在柱塞12和电枢空间12d底部之间。

由进液口46进入的液体通过溢流孔16b1进入压送容积9，当电枢12a受电磁力驱动下行，通过连接件12b推动柱塞12下行，一旦吸溢流孔16b1被柱塞12之壁面遮挡，进液阀16关闭，压送行程开始，压送容积9内液体压力升高，进而打开出液阀17，压力液体进入出液口47和高压管25，并到达喷嘴23，一旦压力超过喷嘴23的 开启压力，喷嘴就向外喷射液雾。所述喷嘴23可以是一个依靠压力开启的提升阀。

在此过程中，通过进液口46进入的液体连同其中的气泡，可以通过排气泡口28(排气泡通道同样允许液体通过)电枢空间12d和通孔45直接进入排气泡口29a，形成回液流带走热量。

如图4所示为本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数的测量原理图，其中，包括一个控制主芯片13a是一个单片机，一个控制螺线管装置19的半导体开关管13b，一个测量通过线圈电流的电路13c，一个测量线圈两端电压的电路13d，一个T3生成电路13e。

图5a本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数电压测量的具体电路，是一个普通的测量电压的分压电路，其中包括两个电阻102。

图5b本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数电流测量电路，是一个测量普通的测量电流的电路，其中包括一个运算放大器101和相应的电阻102。

如图6所示，本发明提供的液体喷射计量单元之流量主动闭环控制逻辑包括以下步骤：

步骤111，根据液体喷射计量单元的多点流量测试，建立喷射量Q与螺线管装置有效输出功Wn(以下简称有效输出功)之间的关系，可以是离散数据，也可以是根据离散数据拟合而成的关系式，α也随之得到标定，然后将所述数据或者关系式存储在控制器13中；

步骤112，根据目标喷射量Qo，确定目标有效输出功Wno；

步骤113，控制器13通过半导体开关管13b对线圈19加电压；

步骤114，按照一定的时间间隔采集线圈19的电流Id和电压Vd；

步骤115，选择本发明提供的一种方法计算当前有效输出功Wnc；

步骤116，比较目标有效输出功Wno与当前有效输出功Wnc；

步骤117，如果Wno-Wnc小于一个允许的小量e，则说明实现了本次喷射目标，本次驱动结束。否则，继续驱动并回到步骤114继续实时监测。

如图7a所示，本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数T3的物理定义为，线圈19断电后，在线圈两端的感应电动势会突然升高，然后沿着曲线103下降，当电压下降至一个参考电压Vf时，从线圈19断电到当前时刻的时间间隔被定义为T3，单片机13a可以根据T3的测量信号104获得具体数值。

T3的测量信号104可以通过一个电路生成，如图7b所示，本发明提供的液体喷射计量单元之螺线管装置状态参数T3的测量电路，其中，参考电压Vf由电源电压Vcc通过电阻分压形成，对照图4，线圈的一端M的信号接入运算放大器101a的一个输入端，Vd接入同一个运算放大器101a的另一个输入端，放大器101a其输出端接入另一个运算放大器101b的一个输入端，而参考电压Vf接入运算放大器101b的另一个输入端，这样，在运算放大器101b的输出端可以检测到T3信号，是一个方波信号(如图7a所示)。

基于T3信号，如图8所示，可以设计一个用于本发明提供的液体喷射计量单元之流量控制的被动闭环控制逻辑，即包括以下步骤，

步骤121，根据液体喷射计量单元的多点流量测试，建立喷射量Q与T3之间的关系，可以是离散数据，也可以是根据离散数据拟合而成的关系式，然后将所述数据或者关系式预先存储在控制器13中；

步骤122，将液体喷射计量单元的T1＝f(T3)关系通过简单的实验获得，并根据这些离散数据获得T3与T1的微分关系，即dT1＝df(dT3)，将这些数据或者以离散的形式，或者拟合而成函数表达式，关系式，预先存储在控制器13中；

步骤123，根据目标喷射量Qo，确定目标T3，即T3o；

步骤124，根据预存的关系式T1＝f(T3)，预估实现T3o的驱动脉宽T1；

步骤125，根据上一个循环的反馈信息，确定T1的动态修正量dT1；

步骤126，按照脉宽T1+dT1驱动线圈19；

步骤127，采集T3的信号值；

步骤126，计算当前T3与目标T3之间的差值，即dT3＝T3o-T3；

步骤127，根据步骤122预存在控制器13中的关系，计算T1的修正量dT1＝df(dT3)

回到步骤125，将dT1的信息存储在控制器13之中。

以上对于所述液体喷射单元之喷射量的被动式闭环控制，尽管在形式上不能在当前脉冲精准地实现控制目标，但由于相邻两个脉冲的间隔时间很短，液体喷射单元本身和周围的流体的状态在此期间的变化可以忽略不计，因此实际上能够获得较高的控制精度。

图9a给出了基于第一能量模型的一组实测数据及其线性拟合关 系，所述第一能量模型是指Wn＝Et-Et0，即忽略了线圈电阻的能耗，忽略了螺线管装置的电感储能，忽略了液体流动阻力功耗，以及回位弹簧的储能等因素，直接将对螺线管装置输入的总能量差化，即，当前输入的总能量与喷射前输入的总能之差作为螺线管装置的有效输出功处理，这样简化的能量模型与喷射量Q没有很好的线性对应关系，但也具有一定的实际意义，因为它可以消除一些因喷射单元的状态改变对于喷射量的影响因素。

图9b为基于第二能量模型对流量的预测的一组实测数据及其线性拟合关系，所述第二能量模型是在第一能量模型的基础上，增加了线圈电阻能耗的影响因素，即：Wn＝(Et-Et0)-(Er-Er0)。可以看出，基于第二能量模型对于喷射量Q的预测，相对第一能量模型有所改善，但并不显著。

图9c为基于第三能量模型对流量的预测的一组实测数据，所述第三能量模型是在第二能量模型的基础上，又增加电感储能的影响因素，即：Wn＝(Et-Et0)-(Er-Er0)-(Ein-Ein0)。可以看出，基于第三能量模型对于喷射量Q的预测，具有很高的精确度。

图9d为基于第四能量模型对流量的预测的一组实测数据及其线性拟合关系，所述第四能量模型是将有效输出功与T3关联为线性关系，即Wn＝λ(T3-T30)，其中，T30为喷射开始出现时的T3，λ是一个可以通过流量测量实验确定的待定系数。从实测结果可以看出，第四能量模型可以给出对喷射量较好的预测结果。

图10为本发明提供的液体喷射计量单元应用于发动机电喷系统 之示例，所给示例之泵喷嘴可为图3a所示套筒-柱塞泵，所示应用方案需要将图3a所示的套筒-柱塞泵颠倒放置，这样更有利于进液阀16a附近的气泡排除。示例包括燃油箱132，柱塞泵8、高压喷射管25，喷嘴23以及控制器13。所述燃油箱132包含一个安装凸台132a，柱塞泵8可通过螺栓131固定于燃油箱安装台上，并通过密封垫138密封。过滤器31位于燃油箱132内部，喷嘴23安装在发动机133的进气接管134靠近进气阀处。所述控制器13同样作为发动机的电喷控制器，通过线缆135驱动液体喷射计量单元1工作，并计量通过喷嘴23喷出的汽油，与空气混合后进入发动机133之气缸136内。当然计量控制器13还通过线缆137与发动机电控系统的其他机构相连接，例如发动机角标传感器等。

本示例所示液体喷射计量单元亦可以应用于汽油发动机缸内燃油直接喷射系统。

图11为本发明提供的液体喷射计量单元应用于SCR系统之示例，所给示例之泵喷嘴可为图3a所示套筒-柱塞泵。示例包括一个尿素罐141，一个支架142，一个计量喷射单元1，一个控制器13，一个混合输液管155，一个喷射器156，一个带有SCR催化转换器159的排气管道157，沿排气流方向依次布置有温度传感器158以及NOx或者氨气传感器160，分别位于催化转换器158两侧。

计量喷射单元1包括一个柱塞泵8，一个高压管25，一个喷嘴23一个排气泡管145。所述排气泡管145延伸至溶液顶部，出口端安装有过滤器146，以保证柱塞泵8内洁净溶液不被污染，防止脏物进入。

支架142包括各传感器144(包括温度传感器、液位传感器等)，柱塞泵安装台144a，用于固定柱塞泵8，循环水加热器161以及位于支架142另一端的气液混合腔148和安装其上的控制器13。所述支架142安装于尿素罐上端面141a，其一端连同固定于安装台144a上的柱塞泵8置于尿素罐141内部，柱塞泵8伸入至尿素罐141底部。所述气液混合腔148包括一个与进气道150连通的进气管接头149，用于引入高压空气，一个与出液道151连通的输液管接头147和一个喷嘴安装道152，使得喷嘴23之喷孔39通过安装道152伸入混合腔148内部，并通过支架142密封固定。

所述喷射器156安装于排气管道157上，可以为一个简单的节流孔式喷嘴，也可以为一个不含喷嘴阀的旋流喷嘴。此方案对于不同的应用，可以实现以下不同目标：一是有利于液体雾化和增加排气管氧气的含量，二是可以避免结冰对输送管路的堵塞和损坏，三是可以避免水分蒸发后尿素析出对管路的堵塞，四是可以避免燃油结焦对喷嘴的堵塞。

本发明所给SCR系统之工作过程如下。

计量控制器13根据发动机主控单元(图中未示出)发来的发动机工况，以及排气温度传感器159，NOx或者氨气传感器160，储液箱内各传感器144等的信号，计算出所需的尿素液流量，然后判断尿素液喷射系统是否可以正常工作，如果可以，就控制液体喷射计量单元1工作，将储液箱内的尿素液泵入高压管25再由喷嘴23喷射入混合腔148。与此同时，高压空气经压力表154、电磁阀153、进气 管接头149以及进气道150输入混合腔148与其中喷射液混合，电磁阀153与进气管接头149之间可安装一个单向阀，使得气流单向通行。混合液通过出液道151和输液管接头147进入混合输液管155。最后，由喷射器156将混合液以雾化的形式喷射进入排气管157中，尿素液在发动机排气高温的作用下热解为氨气，与发动机排气混合均匀进入SCR催化转换器159，结果其中的NOx将被高效分解为无害的N₂和H₂O，达到进化尾气的目的。

在上述工作过程中，控制器13根据储液箱内温度传感器144的信号判断是否出现了尿素液结冰，如果存在结冰，则控制水阀(图中未示出)使发动机的冷却水进入储液箱内的循环水加热器161以加热融冰。

图12为本发明提供的液体喷射计量单元应用于DPF再生系统之示例，所给示例之泵喷嘴可为图3b所示套筒-柱塞泵。示例包括一个副油箱173，一个柱塞泵8，一个高压管25，一个喷嘴23，一个控制器13，一个排气管170，一个压差传感器180，一个温度传感器181。所述控制器13可以是一个用于接收主控制单元工作信号的计量模块，也可以是一个包含DPF系统的控制单元。

在应用示例中排气管170上安装有柴油机颗粒物过滤器(DPF)171，DPF之前可以连接一个氧化型触媒DOC179，或者在DPF过滤器上直接涂覆贵金属催化剂，在DPF 171的上游设置了再生DPF 171的燃油(柴油)喷嘴23，当再生条件达到时，定量给发动机排气管170中喷入燃油，和发动机排气172中残存的空气发生燃烧反应，使发动 机排气172的温度升高，进入DPF 171，从而引燃DPF 171中收集到的以碳烟为主要成份的颗粒物，达到再生DPF的目的。本系统中从喷嘴23喷入的燃油应该尽可能少，但必须使发动机排气172达到足够高的温度，因此要求燃油雾化良好，分布合理。所述喷嘴23可选用抗结焦和污染能力强的提升阀式结构。包括一个副油箱173，副油箱173位于液体喷射计量单元1之上方以至于副油箱173中的燃油能够通过重力进入液体喷射计量单元1中形成正常的供油。发动机高压喷射系统的回油(最好采取串联的形式)通过进油口179进入副油箱173，然后再通过回油口178回到发动机的主油箱。副油箱173的燃油也可以直接来自于发动机高压喷射系统低压供油泵，或者通过附加泵(例如真空泵)或者重力的作用从发动机主油箱取油。从发动机主油箱到液体喷射计量单元1之间至少要布置一道过滤系统，若来自发动机高压喷射系统的低压回油，则可以不需要另加过滤器，否则可以再布置一个燃油过滤器31。所述燃油箱173包括一个与柴油机燃烧系统回油路(图中未示出)连接的进油路179和一个与主油箱(图中未示出)连接的回油路178。柱塞泵8的进油口通过进油管175导入来自燃副油箱173并经过滤器31过滤后的燃油，在控制器13的控制下泵油到喷射管177，然后从喷嘴23喷射进发动机排气管170，控制器13同时计量喷射油量，根据所检测到的发动机工况、DPF压力阻力、排气状态和DPF温度(图中未示出)等判断所喷射油量是否合适，以及是否需要继续。柱塞泵8的回油通过回油管174回到燃油箱173的上部空间。副油箱173之出液口182位于底部，而回液口177位于较高位置，使得油箱173在储油量 少的情况下仍能正常工作。

所述应用应用系统的工作过程如下：

来自发动机的碳烟被DPF 171过滤并在其中逐步积累，随着碳烟积累量的增加，DPF171前后的压差△P逐步增大，当控制器13通过压差传感器180检测到△P大于特定值时(已经或者将要影响发动机的功率输出)，并且通过温度传感器181检测到温度大于特定值时，再通过发动机的油门传感器信号或者其他通讯方式判断发动机排气管172中的氧气成分大于特定值时，控制器13驱动液体喷射计量单元1通过喷嘴23向发动机排气管172中喷射燃油，在保证能够通过氧化清除DPF171中的碳烟的前提下，喷射量越少越好。喷射量可以预先设定在控制器13的存储器中，也可以根据温度等传感器进行反馈控制，例如，还可以增加一个氧传感器。

图12所示应用示例中，向柱塞泵8的进油口的供油，也可以为添加了助燃剂的柴油，例如含有启燃催化剂的柴油，这种情况下，燃油箱173为再生用燃油专用存储箱。

另外，本发明所述燃油计量喷射单元，也可以用于现场定量给燃油添加燃油添加剂，例如向柴油机主燃油中即时定量注入燃油携带性催化剂(FBC)，以降低柴油机颗粒物的启燃温度，或者向DPF主动再生燃油中即时注入助燃剂来降低再生燃油与发动机排气形成混合气的启燃温度，等等。

上述事例仅仅用于说明本发明，但并不限制本发明，凡基于本发明精神实质的进一步的改变方案均属本发明公开和保护的范围。

Claims (8)

1.一种液体喷射计量单元，其特征在于，包括一个喷射单元和一个计量控制器，所述喷射单元包括一个螺线管装置，一个柱塞泵和一个喷嘴，所述柱塞泵包括柱塞和套筒，柱塞与套筒配合形成压送容积，压送容积连接进液阀和出液阀，液体从进液阀进入压送容积从出液阀输出。

2.如权利要求1所述的液体喷射计量单元，所述柱塞泵包括一个回位弹簧，套筒在螺线管装置和回位弹簧的驱动下往复运动，导致压送容积大小的交替变化。

3.如权利要求1所述的液体喷射计量单元，所述柱塞泵包括一个回位弹簧，柱塞在螺线管装置和回位弹簧的驱动下往复运动，导致压送容积大小的交替变化。

4.如权利要求3所述的液体喷射计量单元，所述柱塞包括一个电枢，所述电枢大致为一个圆柱体，电枢包括贯通两端面的通孔。

5.如权利要求2或者4所述的液体喷射计量单元，其特征在于，在出液阀与喷嘴之间包括一个高压管。

6.如权利要求5所述的液体喷射计量单元，其特征在于，包括一个气液混合腔，液体由喷嘴喷入气液混合腔中，液体与气体液混合后再经一个喷射器喷出。

7.如权利要求6所述的液体喷射计量单元，其特征在于，所述喷射器为一个旋流喷嘴。

8.如权利要求6-7之一项所述的液体喷射计量单元，其特征在于，包括一个由融冰管构成的支架，喷射单元固定在支架的一端，控制器 固定在支架的另一端。